Seasonal Dynamics of Microbial Communities, Co-occurrence Networks, and Grazing-Mediated Carbon Flow Characteristics

技術要約：微生物コミュニティの季節動態、共起ネットワーク、および摂食による炭素流動特性

問題提起
沿岸湾は、強い水文学的および栄養塩の変動性を特徴としており、これが微生物の生物多様性を再編成し、微生物食物網を通じた炭素移動を変化させる可能性がある。これまでの研究により、微生物コミュニティが温度、混合、および栄養塩の利用可能性に駆動される顕著な季節サイクルを示すことは確立されているが、重要な知識の空白が残されている。具体的には、養殖業の影響を受ける沿岸湾において、以下の3つの重要な次元を共通の時系列枠組みの中で統合した研究はほとんど存在しない。(1) 微生物コミュニティの組成と集合メカニズム（決定論的 vs 確率論的）、(2) 統合された細菌・微小真核生物の共起ネットワークの構造的組織化、および (3) 摂食による炭素流動の直接的な速度ベースの測定である。さらに、季節的な環境強制力が、植物プランクトン経路とバクテリオプランクトン経路の両方からの炭素流動効率をどのように同時に変調するかについての経験的証拠も限られている。本研究は、中国南東部の養殖業の影響を強く受ける亜熱帯沿岸湾である定海湾を調査することで、これらの空白に対処する。

方法論
本研究では、4回の季節ごとの航海（2020年夏季、2020年秋季、2021年冬季、2021年春季）にわたり、環境DNA（eDNA）メタバーコーディング、コミュニティ集合モデリング、ネットワーク解析、および生理学的速度測定を組み合わせた多角的なアプローチを採用した。

• サンプリングとシーケンシング: 潮間帯の養殖ゾーン、移行帯、および沖合エリアの24地点から表層海水を集めた。0.2 µmフィルターから環境DNAを抽出した。細菌コミュニティは16S rRNA遺伝子アンプリコンシーケンシング（V4領域）によって、微小真核生物コミュニティは18S rRNAシーケンシングによって特性評価された。
• コミュニティ解析: アルファおよびベータ多様性は、標準的な指標およびBray-Curtis非類似度を用いて評価された。コミュニティの集合は、中立コミュニティモデル（NCM）を用いて、確率論的（中立的）プロセスと決定論的プロセスを区別して評価された。部分冗長分析（pRDA）およびMantelテストを用いて、コミュニティ組成と水文学的および栄養塩変数（例：温度、pH、溶存無機窒素）との関連付けを行った。
• ネットワーク解析: 各季節の統合共起ネットワークを、細菌ASV、微小真核生物ASV、および環境変数を含めて構築した。ネットワークは、トポロジー特性（モジュール性、クラスター係数、次数分布）について解析され、Erdős–Rényiランダムグラフと比較された。
• 摂食実験: 海水希釈法を用いて、植物プランクトンおよびバクテリオプランクトンの両方について、固有の増殖速度（$\mu$）および微小プランクトンの摂食速度（$g$）を推定した。炭素流動効率は、日次の生産者生産のうち微小プランクトンによって消費された割合として計算された。
• 統計的合成: 部分最小二乗構造方程式モデリング（PLS-SEM）を用い、環境勾配、生物多様性、および炭素フラックスプロセスの間の広範な関連性を探索した。

主な結果

• 季節的な多様性と組成: 細菌および微小真核生物の両方のコミュニティは、明確な季節的ターンオーバーを示した。アルファ多様性（豊富さとShannon指数）は冬季にピークに達し、夏季に最小となった。細菌コミュニティはPseudomonadotaによって支配され、微小真核生物はMetazoa、Ciliophora、およびDinoflagellataによって支配されていた。
• 環境要因: コミュニティの非類似度は、温度、pH、塩分、および溶存無機窒素（DIN）と強く関連していた。部分RDAは、ステーション効果を考慮した後でも、これらの変数が有意な駆動因子であることを確認した。
• コミュニティ集合: 中立コミュニティモデルの解析により、細菌のアセンブリは（約54%のASVが95%信頼区間内に含まれることから）微小真核生物のアセンブリ（約27%が区間内に含まれる）と比較して、中立的な期待により適合していることが明らかになった。微小真核生物は中立的な予測からのより強い逸脱を示しており、これは決定論的な選択またはその他の非中立的なプロセスのより強い影響を示唆している。
• 共起ネットワーク: 統合ネットワークは高度に連結され、強くモジュール化されており、正の相関（エッジの80–90%）によって支配されていた。微小真核生物–微小真核生物間のリンクがエッジの最大部分を構成していた。ネットワークの連結性（エッジ密度と平均次数）は夏季にピークに達した。すべてのネットワークは、ヘビーテイルの次数分布を持つスモールワールド・トポロジーを示し、コア・ペリフェリ（核・周辺）構造を示した。
• 炭素流動のダイナミクス:
  • 生産: 植物プランクトンの一次生産およびバクテリオプランクトンの生産は夏季に最も高かった。
  • 効率: 生産速度とは対照的に、摂食による炭素流動効率は、植物プランクトンとバクテリオプランクトンの両方において、夏季には一般に低く、冬季および秋季には高かった。
  • 経路: すべての季節を通じて、植物プランクトンの生産は、バクテリオプランクトンの生産よりも摂食による炭素転送に実質的に多く寄与していた。
• 構造と機能のデカップリング（分離）: PLS-SEM解析は、季節が生物多様性に強く影響を与える一方で、増殖および摂食プロセスへの直接的な影響は弱いことを示した。生物多様性から炭素転送速度への直接的なパスはほぼゼロであり、これは速度ベースの炭素転送が、コミュニティ組成そのものよりも広範なコミュニティパターンに密接に結合していないことを示唆している。

主要な貢献と意義
本研究は、季節的な環境変動が養殖業の影響を受ける湾内の微生物システムをどのように再形成するかについての、プロセスに基づいた評価を提供している。その主な貢献は以下の通りである：

1. 統合的枠組み: eDNAに基づくコミュニティ構造、中立的な集合シグネチャ、および季節的な共起トポロジーを、独立して測定された摂食ベースの炭素フラックスと結びつけることに成功した。これは沿岸研究において稀な組み合わせである。
2. ドメイン横断的な集合に関する洞察: 細菌と微小真核生物の間で異なる集合メカニズムを浮き彫りにし、この環境における微小真核生物コミュニティが細菌コミュニティよりも強く非中立的なプロセスによって形成されていることを示した。
3. 炭素流動のデカップリング: 本知見は、微生物コミュニティの構造と組成が季節とともに並行して変化する一方で、炭素転送の効率（機能的指標）はこれらの構造的変化を単純に反映しないことを明らかにしている。具体的には、高い夏季の生産量は高い転送効率を意味せず、炭素流動が単なる生産者バイオマスや広範なコミュニティ多様性ではなく、複雑な速度制限メカニズム（例：捕食者の組成、餌の質）によって制御されていることを示唆している。
4. ネットワーク・トポロジー: 微生物ネットワークの季節的な再編成を特徴付け、モジュールのバックボーンは安定しているものの、モジュール内の結合の強さが環境条件に応じて変動し、夏季にピークに達することを指摘した。

結論
著者らは、季節的な環境強制が、定海湾における微生物の生物多様性、集合シグナル、共起組織、および摂食による炭素転送を再構成すると結論付けている。しかし、彼らは、速度ベースの炭素転送は、コミュニティ組成自体よりも広範なコミュニティパターンには密接に結合していないことを控えめに述べている。本研究は、動的な沿岸環境における生態系機能を完全に理解するためには、eDNAベースのネットワーク構造と独立した生態学的測定を組み合わせることの必要性を強調している。